複雑に詳細な 1400TB の 3D 脳マップ

6 層の興奮性ニューロンが深さによって色分けされています。 クレジット: Google Research と Lichtman Lab

ハーバード大学と Google の共同研究は、脳科学に画期的な進歩をもたらし、人間の脳のごく一部の大規模な 3D マップを作成し、複雑な神経相互作用を明らかにし、マウスの脳全体をマッピングするための基礎を築きました。

1立方ミリメートルの脳組織は大したものではないように思えるかもしれません。 しかし、この小さな正方形には 57,000 個の細胞、230 ミリメートルの血管、1 億 5,000 万個のシナプスが含まれており、これらはすべて 1,400 テラバイトのデータに相当することを考えると、ハーバード大学と Google の研究者は、まさに巨大なことを達成したことになります。

ジェフ・リヒトマン率いるハーバード大学のチーム、ジェレミー R. 分子細胞生物学のノウルズ教授であり、新しく任命された理学部長は、Google 研究者と提携して、これまでで最大のシナプス解像度と人間の脳の一部の 3D 再構成を作成しました。 それは、米粒の約半分の大きさの人間の側頭皮質の一部のすべての細胞とその神経接続ネットワークを鮮明に詳細に示しています。

神経科学における技術の進歩

雑誌に掲載された感動的な偉業 科学は、Google Researchの科学者らとの10年近くにわたる共同研究の最新作であり、リヒトマンの電子顕微鏡イメージングと人工知能アルゴリズムを組み合わせて、色をエンコードし、哺乳類の脳の非常に複雑な配線を再構築している。 この論文の共著者3人は元ハーバード大学博士研究員アレクサンダー・シャプソン・クオ氏。 Google ResearchのMichal Januszewski氏とハーバード大学博士研究員Daniel Berger氏。

協力の最終目標は、 国立衛生研究所ブレイン・イニシアチブは、マウスの脳全体の神経配線の高解像度マップを作成することですが、これには人間の皮質の 1 立方ミリメートルの切片から作成されるデータの約 1,000 倍の量が必要になります。

最新の脳マップからの洞察

「『一部』という言葉はばかばかしい」とリヒトマン氏は語った。 「ほとんどの人にとって、1 テラバイトは巨大ですが、人間の脳の一部、つまり人間の脳のごく一部にすぎませんが、依然として数千テラバイトです。」

サイエンス誌に掲載された最新の地図には、最大 50 個のシナプスに接続された稀ではあるが強力な軸索の集合を含む、これまでに見たことのない脳構造の詳細が含まれています。 研究チームはまた、大規模な渦を形成する少数の軸索などの組織異常も観察した。 彼らのサンプルはてんかん患者からのものであったため、これらの異常な形成が病的なものなのか、それとも単にまれなだけなのかは不明です。

コミュニケーション科学分野

リヒトマンの専門分野は「接続科学」で、ゲノミクスと同様に、個々の細胞や配線に至るまでの脳構造の包括的なカタログを作成しようとしている。 このように完成した地図は、科学者たちがまだほとんどわかっていない脳の機能と病気についての新たな洞察への道を照らすことになるだろう。

Google の最先端の AI アルゴリズムにより、脳組織を再構築し、3 次元でマッピングすることができます。 研究チームは、研究者がニューラル ネットワークを調べて注釈を付けるために使用できる、公開されている一連のツールも開発しました。

今後の動向

「このプロジェクトに投じられた巨額の投資を考えると、他の誰もがその恩恵を今すぐ受けられる形で結果を提示することが重要だった」とGoogle Researchの協力者Viren Jain氏は語った。

次に、研究チームはマウスの海馬の形成に取り組みます。海馬は記憶と神経疾患における役割から神経科学にとって重要です。

参考文献：「ヒト大脳皮質のペタボクセル部分を再構成したもの」 ナノスケール 「Resolution」 by Alexander Shapson Kuo、Michal Januszewski、Daniel R. Berger、Art Pope、Yuelong Wu、Tim Blakely、Richard L. Schalek、Peter H. Li、Shuhong Wang、Jeremy Maiten Shepherd、Neha Karlopia、Sven Durkenwald、Evelina Sjostedt 、ララミー レビット、ドンヒル リー、ジェイコブ トゥルードル、フォレスト コールマン、ルーク ベイリー、アンジェリカ フィッツモーリス、ルーヒン カー、ベンジャミン フィールド、ハンク ウー、ジュリアン ワグナー カリーナ、デヴィッド アリーヤ、ジョアンナ ラウ、ズディ リン、ドンライ ウェイ、ハンスペーター フィスター、アディ ペレグヴィレン・ジェーンとジェフ・W・リヒトマン、2024年5月10日、 科学。
土井: 10.1126/science.adk4858